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航空知识手册之九:标准大气和空气动力学

 

国际标准大气

速度(用v表示)在标准公式中量纲用的是米/秒而不是千米/小时。

要打破平衡,改变速度大小或飞行方向,需要力的变化来引起相应的加速度的变化。

牛顿第二运动定律表明,要获得给定加速度,所施加的力的大小取决于无人机的质量。质量与重量不是一回事儿,尽管在平常的语言中,这两个词经常是指同一件事。重量是由质量而来的。如果一架无人机由火箭带到

空气从基本组成上看,可以认为是由无数独立的粒子所组成的,也就是所谓的分子,它们都处于激烈的运动中。气体的温度是衡量这种运动激烈程度的尺度。温度低时分子的运动比温度高时要缓慢。可以说,运动的分子发生碰撞对浸没在其中的物体发生了气体压力。密度是衡量在空间里分子数目多少的一个尺度。

在低速空气动力学中,研究空气的分子组成是没有必要的。无人机飞行的介质是流体,但这并不是说空气是液体。液体是一种几乎不可压缩的流体,而气体是可压缩的流体。无人机的速度远达不到要考虑空气可压缩性的程度。这个结论对于全尺寸的高性能滑翔机,超轻型、轻型和商用飞行器,乃至中型的活塞运输机都是成立的。

可压缩性的问题只有在处理喷气动力飞机以及螺旋桨翼尖和直升机旋翼问题时才需考虑。对于低速的无人机来说,空气可以被认为是不可压缩的流体。即便如此,密度变化的意义还是很重要的,它跟高度和天气有关。在高海拔和高温环境中,空气密度比贴近海平台和低温环境中的密度要小。航空器驾驶员在高原或者热带操作飞机时会发现空气密度的确会对飞机造成一些影响,比如,要得到相同的升力就必须飞得更快一些。发动机的螺旋桨也受到一些负面影响。空气的潮湿程度(即湿度)也会影响密度。干燥的空气比潮湿的控制更加稠密。湿度因此也会对空气动力产生影响,并且有些驾驶员认为这些影响是可以感受到的,特别是对一些轻小的飞机来说比较明显。热空气因为比周围的空气更加潮湿而上升,所以滑翔机飞行员经常会利用上升的热气流进行空中的滑翔。

无人机空气动力学基础

速度与加速度

速度(用v表示)在标准公式中量纲用的是米/秒而不是千米/小时。

要打破平衡,改变速度小大或飞行方向,需要力的变化来引起相应的加速度的变化。

牛顿第二运动定律表明,要获得给定加速度,所施加的力的大小取决于无人机的重量。质量与重量不是一回事儿,尽管在平常的语言中,这两个词经常是指同一件事。重量是由质量而来的。如果一架无人机由火箭带到火星上,在当地大气条件下测试的话,那么在大部分时间的旅程中,它是没有重量的,并且到达火星后重量回避地球上要轻,这是由于火星较低的重力加速度所造成的。但是质量在整个过程中是不会变化的,因为无人机中的材料,如木头、金属、塑料等的数量是一样的。

一个具有很大质量的物体需要用更大的力去打破它的平衡才能达到给定的加速度,而小质量的物体所需的力则小。这样一种行之有时是个优点,比如,无人机受突风影响的时候,一个小质量的无人机在受到突风影响的时候可能会翻滚,静止加速到飞行速度,再从平飞改变为爬升,同事保持转弯,还要较大的力将无人机重新回到静止状态。无论什么时候由外力打破平衡,比如加速或减速,或者方向的变化,成为惯性的物体的质量都会阻止这种变化。

牛顿三大运动定律

所有的空气动力学理论都建立在运动定律之一。这些最初由牛顿创立的理论至今在工程领域的地位仍然不可动摇,前提是只要所讨论的物体的速度远小于光速,并且所研究的固体和流体的密度和尺寸在通常的范围内。量子力学和相对论,虽然在高能物理和天文学中比牛顿力学更受青睐,但是对于理解无人机空气动力学来说完全没有必要掌握。

牛顿第三运动定律表明作用力和反作用力是大小相等方向相反的。当一个飞行器静止在地面上时,它的重力方向向下,与由地面施加的大小相等方向相反的反作用力恰好构成平衡。

任何不平衡的力都会产生加速度。一个在地面上的无人机,起飞前可能被拉住,但发动机是开着的。发动机的推理与拉力方向相反,大小相等,所以平衡。一旦放开,无人机就开始加速。他一开始运动,空气阻力和地面摩擦力也就随之而来,而且无人机速度越快,这些阻力也就越大。

在水平飞行中,垂直向下的重力由一个垂直向上的反作用力平衡着。在一般的飞行器中,这个反作用力来自于机翼和可能的其他表面,但是也有可能以其他形式的力来提供。直升机靠它的旋翼支撑,悬停的“鹞”式飞机靠推力来支持。如果向上的反作用力比重力小,飞行器就会向下加速。要停止这个加速运动,就必须重新产生反作用力来平衡重力。这可以带来平衡但是不会阻止下降。要做到不再下降就必须施加更大的力使其减速。所有的加速或减速都会由飞行器的质量来反抗,也就是惯性。

力的平衡

如果一个物体处于平衡状态,那么它就有保持这种平衡状态的趋势。所有施加在平衡物体上的外力都是平衡的,不会有任何改变其状态或往任何方向加速或减速的趋势存在。这些很容易理解,只要看看立在地面上的东西,比如家具或者放在架子上火桌面上的飞机模型就知道了,它们不会移动。如果没有外界的干扰,比如说以某种方式使其加速,这些物体会一直保持其状态。

移动的物体也可能处于平衡状态。一个在静止大气中做水平直线飞行的飞机,它既不加速也不减速,还不转弯,这时它就处于平衡状态,并且倾向于做持续稳定飞行。同样道理,如果这个飞行器以恒定的速度直线爬升,那么它也处于平衡状态。

即使高度增加了,它也仍然处于平衡状态。如果没有新的外力施加在它上面,它将沿着其爬升方向稳定地飞行。即使爬升是完全垂直的,只要它的速度保持稳定,并且方向不发生变化,它仍然是平衡的。同理,当它以固定的速度俯冲时也是出于平衡状态。平衡是事物一种非常普遍的状态,不稳定运动状态与稳定运动或者静止状态的情况的不同之处就是多了加速度。

力的分解的原则应用非常广泛。一个水平飞行的受力飞行器受4个互成指教的力作用:推理和反作用力阻力,重力和反作用力升力。这是由大量的小力的合成和分解得到的,其中每个小力都会对合力有贡献。

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